發(fā)布時間：2020-05-03 13:57

【摘要】：功能梯度材料(FGM)是一種新型的非均勻復(fù)合材料,采用先進的材料復(fù)合技術(shù),使其結(jié)構(gòu)、組分以及物性參數(shù)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈連續(xù)變化,能夠有效地消除復(fù)合材料的界面效應(yīng),避免不同材料組合間的應(yīng)力突變和跳躍,從根本上解決材料復(fù)合的界面問題,以適應(yīng)于不同的環(huán)境。由于其結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)異特性,使其廣泛應(yīng)用于航空航天、核能、機械設(shè)計、生物科學(xué)等超高溫、大溫差、腐蝕環(huán)境的結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域�；贔GM的研究現(xiàn)狀,本課題選取二維功能梯度材料板為研究模型,根據(jù)傳熱學(xué)、熱彈性力學(xué)和有限元法等方法,研究在左右側(cè)為第一類邊界條件,下側(cè)為第二類邊界條件,上側(cè)為第三類邊界條件的情況下2D-FGM板的穩(wěn)態(tài)溫度場分布。首先從熱力學(xué)定律和傅里葉定律出發(fā),得到了2D-FGM板穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程,然后采用分離變量法,推導(dǎo)了2D-FGM板在三類邊界條件共同作用下的穩(wěn)態(tài)溫度場解析解。其次利用加權(quán)余量法,推導(dǎo)了有限元形式的熱傳導(dǎo)微分方程,得到了2D-FGM板穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)數(shù)值解。兩種方法結(jié)果對比,誤差均小于1%,由此可以驗證推導(dǎo)過程的正確性。最后分析了材料熱導(dǎo)率的梯度變化參數(shù)、上邊界介質(zhì)溫度以及下邊界熱流密度對2D-FGM板穩(wěn)態(tài)溫度場的影響。研究得出以下結(jié)論:2D-FGM板穩(wěn)態(tài)溫度場分布大致呈四角星狀,不具有對稱性;熱量由板的上下側(cè)流入板內(nèi),再由板的左右兩側(cè)流到板外;隨著梯度變化參數(shù)c和d的增加,板的上下邊緣最高溫度都不斷減小;上邊界介質(zhì)溫度增大對板上、下邊緣的最高溫度都有較大影響,下邊界熱流密度增大只對板下邊緣的最大溫度有較大影響,而對上邊緣幾乎沒有影響。此結(jié)果為以后功能梯度材料的研究制備、優(yōu)化設(shè)計以及工程實際應(yīng)用提供了準(zhǔn)確、實用的理論計算依據(jù),為FGM的進一步研究和發(fā)展提供了重要的參考方向。
【圖文】：

58分析圖 5-1 可知：(1) 當(dāng) 2D-FGM 板在結(jié)構(gòu)的 x, y兩個方向采用相同的梯度變化參數(shù)時，材料的熱導(dǎo)率在 135 °方向始終為常數(shù)。(2) 結(jié)構(gòu)左下角的熱導(dǎo)率最小，，其大小趨近于 1，結(jié)構(gòu)右上角熱導(dǎo)率的梯度變化十分迅速，而且梯度變化參數(shù) c, d越大，這種變化趨勢就越明顯。為了研究梯度變化參數(shù)對 2D-FGM 板穩(wěn)態(tài)溫度場的影響，選取相同邊界條(c) c=d=0.3 (d) c=d=0.4圖 5-1 2D-FGM 板熱導(dǎo)率分布圖Fig. 5-1 Thermal conductivity distribution map of 2D-FGM plate

件不同梯度變化參數(shù)下的溫度場分布來做對比分析。首先假設(shè) 2D-FGM 板的擬工況（工況一）為：a=b=0.01m，兩側(cè)恒溫0u =300K，下邊界熱流密度為二函數(shù)( )22q ( x)= 100x+100x+100W/m，上邊界介質(zhì)溫度為常數(shù) Tf =800K，D=1令 c=d=0.1、0.2、0.3、0.4，考察在不同梯度變化參數(shù)下 2D-FGM 板穩(wěn)態(tài)溫度分布情況的差異。溫度場分布結(jié)果如圖 5-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：河北工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

【參考文獻】

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本文編號：2647635